狗牙根种质资源的抗盐性评价、钠钾调控机理研究及利用

发布时间：2017-12-29 00:00

  本文关键词：狗牙根种质资源的抗盐性评价、钠钾调控机理研究及利用　出处：《南京农业大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：盐碱土是地球陆地上广泛分布的一种土壤类型,约占陆地总面积的25%,主要分布在内陆干旱和半干旱地区以及海滨地区。随着对盐碱地的工业建设和生态建设的发展,带来了大规模的绿化和生态恢复工程,这就需要大量抗盐的绿化植物品种。另外含盐再生水在园林绿化中的应用和冬季融雪盐的大量应用也增加了对抗盐绿化植物的需求。狗牙根(Cynodonspp.)是一类抗盐的暖季型草坪草,在盐碱地绿化和生态恢复中具有相当大的应用潜力。抗盐性评价和机理研究是植物抗盐育种的基础工作。本研究在狗牙根资源抗盐评价的基础上,对筛选出的抗盐型和敏盐型材料进行钠钾离子调控机制研究,并对选育的抗盐优质材料在重度盐碱地进行了配套的建植养护研究,最后提出“盐土草坪”模式,并加以示范推广,为以后狗牙根的抗盐性持续育种和盐碱地大面积推广提供基础。具体研究结果如下:1狗牙根种质资源的抗盐性评价1.1水培法抗盐性评价采用水培法,研究了中国狗牙根主要分布区的51份野生种质资源(普通狗牙根,Cda.tylon)、11份自主选育的优良杂交狗牙根(C. transvaalensis×C.dactylon)品系和2份引进杂交狗牙根品种的抗盐性变异。盐胁迫显著降低了所有参试材料的枝叶修剪干重,增加了叶片枯黄率,但材料间存在显著的遗传变异,普通狗牙根的相对叶片枯黄率和相对枝叶修剪干重变异系数分别为37.8%和30.0%,杂交狗牙根的变异系数分别为51.7%和29.1%。聚类分析表明,供试普通狗牙根材料可以分为4类,即抗盐型、中等抗盐型、中等敏盐型、敏盐型,杂交狗牙根分为抗盐型、中间型和敏盐型三类。盐胁迫下枝叶的Na+浓度显著增加,而K+浓度显著降低,并且其也存在显著的遗传变异。相关性分析表明,普通狗牙根的抗盐性与盐胁迫下的枝叶Na+含量呈显著负相关性,而与K+含量没有显著相关性;杂交狗牙根的抗盐性与枝叶Na+含量的相关性较弱,而与对照和盐胁迫的枝叶K+含量均呈显著的正相关性。1.2 土培法抗盐性评价在水培法基础上,选择26份普通狗牙根及2份杂交狗牙根,利用土培法用相同盐度的盐水灌溉进行进一步的抗盐性验证。结果表明,土培法同样发现盐胁迫抑制枝叶生长,增加叶片枯黄率。26份普通狗牙根间的相对叶片枯黄率和相对枝叶修剪干重变异系数分别为41.56%和25.47%,而其抗盐性与盐处理下的枝叶Na+含量呈极显著的负相关,与K+含量没有显著的相关性。2份杂交狗牙根之间相比,CH048的抗盐性显著强于Tifgreen,盐胁迫下CH048具有显著更低的枝叶Na+含量和更高的K+含量。比较水培和土培条件下相同指标的相关性,所有指标均分别呈极显著的正相关。从上面这些结果可以看出,水培和土培两个实验的结果基本一致。1.3盐碱地大田评价根据水培法和土培法实验及前期相关实验结果,试验1中选择抗盐的C291-1、中等的C134、C174、引进品种Tifgreen、TifgreenⅡ和TifwayⅡ,试验2中选用抗盐的CH048和敏盐的Tifgreen,在低养护条件下进行滨海重度盐碱地的大田适应性评价。试验1的结果表明,TifgreenⅡ、C134和C291-1在大田环境下具有较好的适应性,草坪质量较高,综合评分为5.0-5.5左右;TifwayⅡ的适应性相对较弱,盖度和颜色得分较高,均一性中等,综合评分为为4.9,但在施肥后能快速提高草坪质量;C174和Tifgreen的适应性较差,盖度、均一性、颜色中部分指标的得分较低,综合评分为4.3-4.5左右。试验2中CH048在重度盐碱地具有相对较高的盖度和草坪质量,而Tifgreen在第二年就已经基本死亡。这些评价结果为下一步优良狗牙根在盐碱地的推广应用提供很好的基础。2盐胁迫下狗牙根钠钾离子的调控机制2.1不同浓度NaCl处理对狗牙根钠钾离子吸收、转运、分泌等的影响本研究以两个不同抗盐性的狗牙根为材料,研究了水培条件下不同浓度的NaCl(0、50、100、200和300 mM)对其生长、Na+和K+含量、光合作用的影响。结果表明,随NaCl处理浓度增加,两种狗牙根的根系长度和重量呈先增加后降低的趋势,枝条长度和重量呈下降趋势,但抗盐型狗牙根的根系生长增加幅度更大,枝条生长下降程度更低。随NaCl处理浓度增加,根系和叶片中的K+含量下降,Na+含量增加,Na/K比增加,根系到叶片的钠钾离子选择性运输能力增加,叶片Na+和K+的分泌能力增加,光合效率和气孔导度下降,但抗盐型狗牙根能够维持更高的根系K+含量,更稳定的叶片K+含量,更低的叶片Na+含量及根系和叶片Na/K比,更高的钠钾离子选择性运输能力和叶片盐腺分泌能力,以及更高的光合效率和气孔导度。对根毛区横切面进行X-Ray微区分析后发现,盐胁迫下抗盐型狗牙根的皮层细胞具有比维管柱内细胞更高的Na+含量,而敏盐型狗牙根相反。综合来看,盐胁迫下狗牙根通过限制Na+进入维管束、根系限制Na+而选择K+往叶片运输、叶片盐腺选择性分泌Na+,同时维持适当的气孔导度来维持光合效率等途径来减少叶片Na+的积累和维持K+的稳定,并且抗盐型材料具有比敏盐型更强的钠钾离子调控能力。2.2采用cDNA-AFLP差异表达技术挖掘狗牙根钠钾离子调控相关基因以抗盐型的狗牙根为材料,利用cDNA-AFLP技术分析了在NaCl胁迫2 h或24 h后根系基因差异表达状况,获得了 121个盐胁迫后差异表达的转录衍生片段(TDFs),对这些TDFs序列进行BLASTX分析,共获得63个可推测功能的序列。通过基因的GO功能分类,这些基因主要跟离子结合、膜转运蛋白活性、DNA结合、激酶活性、ATP酶活性、转录因子活性等有关。利用qRT-PCR技术对可能跟钠钾离子调控有关的4个TDFs进行抗盐型和敏盐型间的表达差异分析,发现抗盐型的 Sodium/hydrogen exchanger 6 (TDF36)和 Vacuolar H+-ATPase (TDF33)的表达在盐处理2h和24h时均较Oh时有显著增加,而敏盐型没有显著的变化;两个狗牙根的Potassium transporter2 (TDF11)表达在盐处理2h和24h时均较Oh时有显著增加,但抗盐型的表达更高;两个狗牙根的Probable voltage-gated potassium channel (TDF63)在盐处理2h较Oh时有下降,而24h时又显著增加。这一结果为理解狗牙根钠钾离子调控机制和挖掘抗盐基因提供了一定的基础。3外源调控物质对狗牙根抗盐性的调控3.1外源植物生长调节剂对狗牙根抗盐性及离子调控的影响外源植物生长调节剂能改变植物的抗盐性,然而对狗牙根抗盐性以及不同离子调控途径的影响还不清楚。本实验通过外源喷施不同类型的生长调节剂研究其对狗牙根抗盐性和不同钠钾离子调控途径之间平衡的影响。结果表明,盐胁迫下狗牙根的生长受到一定的抑制,根系和叶片的Na+含量增加,而K+含量减少,但是盐腺密度增加,泌盐能力增强,根系对抑制Na+而选择K+的吸收能力及转运能力增强。外源喷施赤霉素(GA)、6-苄氦基嘌呤(BA)和吲哚丁酸(IBA)后,狗牙根的高度和枝叶修剪干重仅在GA处理下显著增加,而BA和IBA处理没有显著影响。喷施不同生长调节剂后,对狗牙根的钠钾离子吸收、转运、分泌产生了不同影响,某个途径的增加或减弱,会导致其他途径的减弱或增强,说明狗牙根体内这些离子调控途径是相互作用的。3.2外源钾处理对狗牙根抗盐性及钠钾离子竞争的影响盐胁迫下钠抑制钾的吸收,适当施用钾肥能提高植物抗盐性,然而NaCl胁迫下钾营养对狗牙根抗盐性及钠钾离子平衡的影响却不明确。本研究表明,盐胁迫下随外源钾处理浓度(0、0.1、1、5、10和20 mMKCl)增加,狗牙根的枝条长度、分枝数、枝条干重、根系干重、叶片含水量、根茎叶K+含量呈增加的趋势,根茎叶的Na+含量及Na/K比呈下降趋势,但KC1处理浓度≥5 mM时,多数指标不同KC1处理浓度间差异不显著。叶片K+分泌随钾处理浓度增加呈增加趋势,而叶片Na+分泌和钠钾离子选择性运输能力在0-1 mM KC1浓度范围内随钾浓度增加呈增加趋势,但超过1 mM KCl后呈下降趋势。两个基因型间相比较,外源钾浓度增加对提高抗盐型品种C291-1的抗盐性效果更好,可能跟其体内具有更低的Na+含量和更强的Na+分泌有关。这些结果说明适当提高K浓度有利于盐胁迫下K+对Na+的竞争性吸收,并提高选择性转运能力和分泌能力,提高狗牙根抗盐性。4抗盐型狗牙根在重度盐碱地的轻简化建植养护技术研究及示范根据前面抗盐评价结果,选择抗盐优质的C291-1 ( '阳江')狗牙根在10‰左右的滨海重度盐碱地进行建植养护技术研究。结果表明,对土壤进行简易改良(有机肥2-4 kg/m2、磷石膏2-4 kg/m2、普通过磷酸钙20 g/m2),采用满铺的方法可以在重度盐碱地成功地建植'阳江'狗牙根草坪。草坪成活后中等的施肥量(全年施N 20 g/m2或15-15-15的复合肥100 g/m2),全年分4次施用,即可满足草坪生长的需要,维持较高草坪质量。干旱季节如果草坪发生萎蔫,可以适当补充灌溉微咸水(5～8ds/m以内)来维持生长。整合上述研究结果,提出了基于“盐土-抗盐草坪品种-盐水灌溉”模式的盐碱地草坪轻简化建植养护技术,初步实现了真正的“盐土草坪”。这套模式在江苏、山东等多个滨海重度盐碱地进行了示范推广,均形成了优良的景观效果和水土保持效果。综合上述分析,通过本研究初步明确了我国野生狗牙根资源的抗盐性遗传变异和钠钾离子调控机制,研究结果提示盐胁迫下狗牙根通过限制Na+进入维管束、根系限制Na+而选择K+往叶片运输、叶片盐腺选择性分泌Na+,同时维持适当的气孔导度来维持光合效率等途径来减少叶片Na+的积累和维持K+的稳定,提高其抗盐性。同时本研究结果也初步表明了盐胁迫下狗牙根盐腺密度增加,增加根际钾浓度能增加对钠的竞争吸收,并提示不同离子调控途径之间是相互依存的。利用cDNA-AFLP差异表达技术,获得了一些可能跟离子调控相关的基因。根据选育的抗盐狗牙根品种和配套的建植养护技术,提出了“盐土草坪”即“盐土-抗盐草坪品种-盐水灌溉”的模式,在山东、江苏等盐碱地进行了示范推广。通过本研究为后续挖掘狗牙根抗盐基因、抗盐性持续育种及盐碱地的示范推广提供了很好的基础。
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【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S688.4
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本文编号：1347937